840D数控系统的加工中心功率在线监控方法研究


伯特利数控 加工中心  钻攻中心  

 前言:

 

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 0.   引言

随着计算机以及信息技术的飞速发展,传统的制造行业正在逐步向信息化、智能化发展,而制造业信息化的关键支撑要素之一是生产设备的实时状态数据。数控加工中心作为一种重要的生产设备,其功率数据可以用于监控加工中心的运行状态,分析加工中心的加工过程,统计加工中心的利用率等,对于生产自动化有着十分重要的意义。

由于数控系统的多样性,不同厂家提供的加工中心通信接口和协议各不相同,由此产生了各种不同的加工中心功率数据采集方案。本文的研究对象西门子840D数控系统是一种先进的开放的数控系统,目前对其功率采集主要有两种方案,一是基于硬件接线方式的电气法,另一种是基于数字通信方式的通信法。

通信法是利用840D数控系统的开放性,通过数控系统提供的接口来读取数控系统内部变量的采集方法。相比于硬件接线的电气法,通信法具有硬件改动小、安全性高、数据精度高等优点。本文所研究的加工中心功率在线监控方法即基于通信法实现。

1.   系统方案设计

西门子840D数控系统由NCK+PLC+ PC三级结构组成。其中NCK (Numeric Control Kernel)是数控加工的核心模

块,包括联动、插补等核心功能,实时性最高。PLC负责外围控制功能,如刀库、切削液等辅助功能的控制,实时性较高。PC部分是基于Windows操作系统的工控机,主要负责前面板的显示和操作,用于人机交互功能,实时性较低。3个部分通过MPI总线连接,实现数据交互。

作为数控系统的核心,840DNCK部分是封闭的,用户无法直接与其通信,但通过PLC可以访问到NCK中的状态变量。因此可以通过在PLC上编程来获得加工中心的功率数据,再通过某种方式将读取到的数据传递给监控系统。本文中的功率数据采集方案即是基于此原理。

PLC获取了功率数据以后,还需要将其传递给监控系统。此时又有两种方案,第一种是通过数字通信接口将PLC中的功率数据发送给监控系统的工控机,但需要在PLC上加装额外的通信模块。第二种是通过PLC自带的模拟量输出接口将功率数据以模拟信号输出,再在工控机侧通过AD采集卡将其转换为数字信号。由于笔者所面临的数控系统PLC上并没有现成的数字通信模块,故此采用了方案二。整个系统的原理结构如图1所示。

2.系统实现

(1) PLC端实现

840D系统中NCKPLC之间的数据交互是通过数据块DB进行的,包括加工中心功率数据在内的NC变置都存储在NCK数据块,840D系统提供了读取NC变量的功能块FB2。FB2PLC基本用户功能块,用于从NCK读取NC变量。具体方式是:用FB2读出以下变量,再用模拟童模块输出。读变量需要设置 $MA_DRI VE_SI GNAL_TRACKI NG=1

$AA_LOAD[axis] Load;负载百分比

$AA_TORQUE[axis];力矩

SAAF^OWERfaxis】;功率

$AA_CURR[axis];电流

(2) 上位机端实现

上位机为一台工业控制计算机,为了能够从PLC中读取到模拟电压形式的功率数据,在上位机安装了 A/D采集卡。采集卡型号为ADLink公司的DAQ-2000数据采集卡,通过PCI总线与PC机实现高速数据交互。采集卡提供了配套的驱动程序以及开发软件包,并且提供SDK (SoftwareDevelopment Kit)函数接口,通过按一定的顺序调用这些函数接口,即可实现将模拟置输入转化为数字置输出功能。表1中列出了部分关键函数及其说明。

通过周期性调用采集函数,并将采集到的电压值转换为对应的功率值,可获得数控加工中心的实时功率数据

 


3.       试验验证

为了让用户直观地观察到加工中心功率变化规律,本文开发了可视化的功率监控系统,以功率曲线的形式实时显示加工中心功率数据。为了验证加工中心功率监控系统的功能,本文选取了 一组典型的深孔加工工况进行试验,图2是该过程的功率变化曲线^其中横轴代表采样时间序列,纵轴代表机床主轴电流,功率可由电流换算得出。

从图2中可以直观地看出,功率曲线表现为较为规律的波峰和波谷,而加工中心此时正在进行啄孔式加工,即钻一定深度后退刀再下钻,如此反复直至钻透。理论上当钻头尚未与工件接触时,加工中心输出功率较低,曲线应表现为波谷;当钻头与工件接触后,主轴负载增大,转矩增加,机床输出功率较高,曲线应表现为波峰。通过目测,加工中心的


钻孔动作与功率曲线的波动变化能够吻合。通过分析数控加工程序代码,发现数控程序也与功率曲线步调同步,再一次验证功率监控的实时性与准确性。

结论

 

本文研究了一种基于840D数控系统的加工中心功率采集方法,利用840D系统的开放性,通过数控系统内部PLC采集机床功率数据,再通过数字―模拟—数字的转换过程实现计算机对加工中心功率数据的实时采集。在此基础上开发了加工中心功率在线监控系统,并通过深孔加工试验验证了系统的实时性与准确性。

 

 

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